（环境工程专业论文）胶新铁路路基沉降研究.pdf

北京交通大学硕，l ：学位论文 摘要 铁路是国民经济的大动脉，随着社会的发展、铁路的提速和开通 速度的提高，对铁路路基变形的要求也越来越高，如何保证路基在铁 路的高速运行下保持足够的强度而不产生大的变形是我们必须要研 究的课题，因此对路基的沉降变形进行详细的研究就显得很有必要。 基于此，胶新铁路新建路基沉降试验课题对路基丌通前后进行研究， 测试不同地质条件下路基沉降量；研究路堤的变形规律，建立不同地 质条件下路基沉降变形的修正计算方法；测试路桥过渡段路基的沉降 特征，建立路桥过渡段路基沉降的计算方法：研究路堤纵向一定长度 范围内均匀地基、非均匀地基及路堤与路肇过渡段( 0 断面) 路基变 形的规律及对线路不平顺的影响。 基于以上问题，本文对胶新铁路路基沉降变形特征进行了深入研 究和分析，总结出了如下结论： ( 1 ) 测试了不同地质条件下路基的沉降量，包括路基表面的沉 降量、路基断面沉降量和路基剖面沉降量，并对测试数据进行了详细 分析，得出了路基沉降变形的规律； ( 2 ) 对各测试地段提取原样土，进行了详细的室内土工试验及 分析，获得了各个地段路基填料土的基本参数，得出了很多结论； ( 3 ) 通过不同地段路堤、地基沉降变形测试，对数据进行了分 类详细分析，即对表面监测数据分析、对路堤监测数据的分析和地基 监测数据的分析，总结出路基的变形规律； ( 4 ) 在对数据进行分析的基础上，建立了路基沉降变形力学计 算模型，能很好的表现路基沉降变形的规律； ( 5 ) 运用不同的预测方法对不同地段的路基沉降进行了预测分 析，并与原始数据进行了对比分析，结果表明预测方法可以很好的反 映路基沉降变化趋势。 监测数据和数值计算结果均表明：胶新铁路路基的沉降和变形很 有规律，最终趋于稳定，沉降变形量合乎规范的要求，整个监测过程 取得令人满意的结果。 关键词：弹性变形土工试验有限元分析泊松曲线灰色理论 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t ya n dt h ea c c e l e r a t i o no fr a i l w a y , t h ed e m a n df o rr a i l w a ys u b g r a d eb e c o m e sm o r ea n dm o r eh i g h e rb e c a u s e b a s e do nt h e s ef a c t o r s ，t h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c to fj i a o x i nr a i l w a yi s d e s i g n e dt or e s e a r c ht h es e t t l e m e n t so fj i a o x i nr a i l w a yw h i c hi n c l u d i n g t e s t i n gt h es e t t l e m e n t so fs u b g r a d ei nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s s u m m a n z i n gt h e d e f o r m i n gr u l e s ，c o n s t r u c t i n g t h e a m e n d i n gc o m p u t i n g m e t h o d so f d e f o r l y i so fd i f i e r e n ts i t u a t i o n s s t u d “n gt h ed i s c i p l i n eo fs e t t l e m e n so f s u b g r a d ei na c e r t a i n p l a c ea n d t h ei m p a c to nt h es m o o t h l e s so f l i n e a c c o r d i n g t oa b o v et r e a t i s e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h em a i nr e s e a r c h e s a sf o l l o w sc o n t e n t s ： ( 1 ) t e s t i n g t h es e t t l e m e n t so fs u b g r a d eu n d e rd i f f e r e n t g e o l o g y c o n d i t i o n s w h i c hi n c l u d e st e s t i n gt h es e t t l e m e n t so fs u r f a c eb yl e v e l s t e s t i n gr o a d b e d c r o s ss e c t i o ns e t t l e m e n t sw i t hm a g n e t i cc i r c l e ； 佗) w i t ht h eo r i g i n a ls o i lo fe a c ht e s td i s t r i c t ，w ep r o c e e dd e t a i l e ds o i l e x p e r i m e n t sa n da n a l y z e sa n dd r a w s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s ： ( 3 ) a f t e rm o n i t o r i n gt h er a i l w a ya n da n a l y z i n gt h ed a t a ，t h ep a p e r s u m m a r i z e st h ed e f o r m i n gr u l e sa n dc o n s t r u c t st h ea m e n d i n gc o m p u t i n g m e t h o d so f d e f o r m so f d i f f e r e n ts i t u a t i o n s ； ( 4 ) b a s e d o nt h e a n a l y t i cf o u n d a t i o n ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e s r e s p e c t i v e l y t h em e c h a n i c sc a l c u l a t i o nm o d e lo fs u b g r a d es e t t l e m e n t s a n dd e f o r m so ft h ed i f f e r e n t d i s t r i c t s p r o v i d i n g t h et h e o r i e sf o r t h e a n a l y s i s ； ( 5 ) t h e n ，w i t ht h ed i f f e r e n tp r e d i c t i n gm e t h o d s ，t h ep a p e rp r e d i c t st h e s e t t l e m e n t so fs u b g r a d eo ft h ed i f f e r e n td i s t r i c t s c o m p a r i n gw i t h t h e p r i m i t i v ed a t a t h e t e s t i n g d a t aa n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i n g a l ls h o wt h a tt h e s e t t l e m e n t sa n dd e f o r m s o b e y ss t r i c tr u l e sa n de v e n t u a l l yt e n dt ob es t a b l e t h en u m e r i c a ld a t ao fd e f o r m sm e e t st h en e e do fc r i t e r i o n a n dt h ew h o l e m o n i t o r i n g c o u r s e g e t sas a t i s f a c t o r yr e s u l t k e y w o r d s ：e l a s t i cd e f o r m s ；c i v i le x p e r i m e n t ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s p o i s o nc u r v e ；g r a yt h e o r i e s 北京交通大学坝十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 胶新铁路北起胶济铁路的胶州，南至陇海铁路的新沂，全长3 0 0 余公里。 该线穿越山东低山斤陵区、沂沭活动断裂带强震区和冲积平原 区，在北部局部地段还通过地下采空区，全线几乎全部为路基工程和 桥梁工程。由于线路起伏较大，路基工程高路堤占很大比重，路堤填 料在线路不同地段有较大差异，类型较多；在线路南北两端粉粘土、 粘土地段存在低路堤。因此，该线路基沉降变形是铁路修建和保证安 全运营的重要因素，对路基工后沉降及运营期沉降变形的监测及评价 是保证该线顺利通车及丌通速度至关重要的指标。 由于该线路堤高度变化大、地基土层与地质构造等条件的差异 性、路堤填料类型较多、以及采用振动碾压等施工技术，所以难以按 现行路基沉降计算方法对胶新铁路路堤填料的工后沉降量及包括地 基沉降变形在内的整个路基沉降量进行全面、准确、可靠的评价和预 测。 因此，只有对整个路基施工及运营过程中的路基沉降变形进行综 合系统的试验监测研究，才能对路基沉降变形的时空变化进行准确地 测定和预报，从而提出合理的设计技术指标，同时总结出修正的铁路 路基沉降计算方法，为铁路类似路段的设计、施工提供可靠的试验数 据和理论依据，促进铁路路基设计的科技进步，为我国铁路建设大发 展奠定基础。 1 2 国内外路基沉降研究概况 1 2 1 路基沉降研究现状 根据我国既有铁路的统计资料，7 5 的同常维修工作量是用于与 北京交通大学硕t 学位论文 线下基础变形有关的作业上。无论永久变形或是弹性变形都严重影响 列车运行的安全和舒适性。路基过去是以强度控制设计，现在强度已 经不是主要问题了，因为一般来讲，在达到强度破坏前，可能已经出 现了不能容许的过量变形。 张志祥从1 4 个方面叙述了如何避免路基不均匀沉降：1 ) 路基施 工与路丽线平行填筑；2 ) 分层施工，铺填厚度按照9 0 控制；3 ) 严 格控制填土含水量，施工时要高于最佳含水量1 2 ；4 ) 加强路基边 部压实；5 ) 压实度检测点要合格：6 ) 重视弯沉检测；7 ) 避免使用 粉土填筑路基；8 ) 保证路基有足够的高度；9 ) 桥涵两侧填土要精心 施工；1 0 ) 避免不利季节施工；1 1 ) 肋板式桥台盖梁要待路基完成后 再浇筑；1 2 ) 提高小桥涵的施工进度；1 3 ) 注意不良地质地段施工： 1 4 ) 注意挖方段、低填线控段、填挖交界处施工。 郑军对连云港软土路基工后沉降进行了分析，认为软土路基二【：后 沉降的原因是：( 1 ) 由于对软土路基工后沉降认识不深，铁路路基设 计规范对控制软土路基工后沉降也无明确规定，设计时，设计人员只 从基床稳定分析考虑软土路堤极限高度，忽视了沉降计算。( 2 ) 施工 时填土速率没有进行严格控制，填土速率过快。加上路堤填料为土石 混合物，摊铺厚度超过3 0 c r a ，增大了路堤本身沉降量。( 3 ) 采用土工 织物加固软土地基可改善荷载应力的分布和传递，提高软土地基的安 全稳定系数，但单纯采用土工布加固对控制软土路基工后沉降其作用 甚微。 1 2 2 路基沉降计算研究现状 在铁路路基工后沉降预测与控制研究中，很大一部分内容是关于 沉降预测方法与计算方法研究。谭昌明对软黏土路基沉降进行了一、 二维固结反演与预测；a s a o k a 贝1 对沉降预测的反问题进行了研究。而 岳祖润则对路堤沉降通过离心模型试验进行了研究。还有是根据部分 观测资料进行拟合分析。殷宗泽对沪宁高速公路地基沉降进行了有限 元计算分析。 实际工程中，如何确定超载强度，预估预压期时间、工后沉降量， 将直接影响到路基的质量、工期、造价等。为此，人们研究提出了各 种各样的估算方法，比较常见的有双曲线方法、指数曲线法及近年来 发展起来的灰色模型预测等。随着近代计算机的发展，有限元的反分 析方法得到了发展。这种方法在理论上较为严密，但是受到数学方法 及前、后期处理比较烦琐等原因的限制，在实际工程中并没有得到广 4 北京交通大学硕 ：学位论文 泛的应用。 许永明根据沪宁高速公路长期的工后沉降观测资料，总结出地基 沉降固结的规律：在荷载稳定时，沉降曲线在s l g t 坐标中接近于抛 物线。据此提出了一种简单易行、能够比较准确推算未来沉降量的方 法，即根据段时间的实测沉降量，结合位移反分析方法，推算出方程 的系数，即可得到沉降方程。工程实践证明，文中所提方法克服了常规 双曲线等方法推算结果误差较大的缺陷。 在沉降观测实践中，引起被监测体沉降的因素是复杂的，而灰色 预测模型正是适应这种客观需要，通过对灰色系统动态过程发展态势 的量化分析，使这种灰色系统各因素之间的“狄”关系“白化”，即清 晰化。g m 模型在实际运用中，应随着观测次数的增加不断修正预测模 型，提高预测精度。 吴钰运用用压缩系数a + 。法、e p + 曲线法、e l gp 。曲线法、有 限元法四种沉降计算方法分析沪宁高速公路典型软土路段不同堤高 时的地基沉降规律，探讨在该地区考虑土的超固结特性及考虑土的侧 向变形对地基沉降的影n 向程度，提出土的超固结影响修正系数m ，l 和 侧向变形修正系数m 。，的取值方法和取值范围。其中， 组合预测方法是当前预测科学研究得最热烈的课题之一。组合 预测的基本含义是把两个或两个以上的预测模型采用加权平均的方 式组合为一个模型。组合预测的关键是确定各个组合系数或加权系 数。陈国荣对高速公路路基性态进行了反分析并且应用于沉降预报。 张远荣认为软土路基工后沉降量研究主要从两方面来考虑：一是 工后沉降量与工程建设费用关系的分析研究；二是在满足高速行车要 求前提下，线路维修与工后沉降量关系的分析研究。路基沉降处理办 法一般有两种：一是允许产生较大的沉降，但沉降必须是均匀的；二是 只允许产生小的沉降，而且要通过线路维修，使轨面始终保持设计标 高。 陈少平对于软土地区小桥涵桥台路基沉降拟合处理方法进行了分 析，提出采用沉降拟合方法，即根据复合地基的设计思想，通过在桥台 与桥涵部位采用不同置换率，调整沉降量，使其相近，以达到减少沉降 差的目的。 量一 量 降一 降 沉一 沉算算 皓一砖 一 p 限 k 一 = f 署鬻 m 北京交通大学硕上学位论立 1 3 研究背景、研究目的内容及技术路线 1 3 1 研究背景 胶新铁路作为我国铁路“八纵八横”战略规划的组成部分，是我 国第一条设计一次性开通速度为l o o k m h 的铁路，所以有很多问题需 要解决。因为浚铁路主要以路基和桥梁方式贯通，由于线路起伏较大， 路基工程高路堤占很大比重，路堤填料在线路不同地段有较大差异， 类型较多：由于该线路堤高度变化大、地基土层与地质构造等条件的 差异性、路堤填料类型较多、以及采用振动碾压等施工技术，所以难 以按现行路基沉降计算方法对胶新铁路路堤填料的工后沉降量及包 括地基沉降变形在内的整个路基沉降量进行全面、准确、可靠的评价 和预测。基于此，进行了胶新铁路路基沉降试验课题的研究。 1 3 2 研究目的内容 1 3 2 1 研究目的 通过对胶新铁路典型代表性地段的不同地质条件下路基施工及 施工后地基、路堤的沉降变形进行系统的试验监测，获取路基沉降科 学合理的技术指标，提出不同地质条件下路基沉降变形的修f 计算方 法，判定路基纵向沉降对线路不平顺的影响，研究结果用以指导该项 工程的施工及运营管理，同时为类似路段路基工程的设计、施工及运 营维护提供可靠的技术依据。 1 。3 2 。2 研究内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 测试不同地质条件下路基沉降量，提出相应条件下路堤预 留工后沉降量： ( 2 ) 通过路基、地基沉降变形测试，总结出路堤的变形规律； ( 3 ) 建立路基沉降变形力学计算模型，为该问题的分析提供理 6 北京交通人学碗上学位论文 论依据； ( 4 ) 胶新铁路路基工后沉降预测，并与实测数据进行对比。 1 3 3 技术路线 本研究以现场试验和室内数值模拟计算为主要手段，围绕以上几 个方面的内容展开研究。本研究的技术路线如下图所示。 图卜l 技术路线 上图表明，技术路线主要分为实验部分和分析部分，其中实验部 分包括现场实验和室内实验两部分，分析部分包括理论分析( 包括模 型建立、参数选取和计算方法) 和沉降分析，在实验和分析的基础上， 最后建立不同地基的沉降预测模型。 北京交通丈学硕十学位论文 参考文献： 1 d i n g q i n gl i e r n e s tt s e l i g r e s i l i e n tm o d u l u sf o rf j n e g r a i n e d s u b g r a d es o i ls j o u r n a lo fg e o t e c h e n g ，a s c e ，1 9 9 4 2 郝瀛铁道r 程北京：中国铁道出版社，2 0 0 0 8 3 3ji n c h u nc h a ia n dn m i a r a t 1 a f f i c l o a d i n d u c e dp e r m a n e n t d e f o r m a t i o no fr o a do ns o f ts u b s o i l j o u r n a lo fg e o t e c h n i c a la n d g e o e n v i r o i e n t a le n g i n e e r i n g 2 0 0 2 4 铁道建筑物设计标准解说 土结构 ，1 9 9 1 年 5 n l o g a n a t h a n ，a s b a l a s u b r a m a n i a m ，e t c d e f o r m a t j o na n a l y s i ao f e m b a n k m e n t s g t ，a s c e 1 9 9 3 6 张颖钧摘译路堤的变形分析路基l ：程，1 9 9 5 年第2 期( 总第5 9 期) l 7 jl o g a n t h a nn ，e ta 1 d e f o r m a t i o na n a l y sj so fe m b a n k m e n t s j j o u r n a l o fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 3 1 8 m e s r ig ，c h o iyk s e t t l e m e n ta n a l ys i so fe m b a n k m e n t so ns o f tc l a y s j j o u r n a lo fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g 1 9 8 4 。 s 北京交通人学硕l 学位论文 第二章路基沉降试验内容 2 1 现场试验工程概况 2 1 1 试验段选择及特征 胶新铁路北起胶济线胶州站，向南经高密、诸城、血莲、菖县、 沂水、沂南，在临沂与兖石线相接，再经郯城至江苏境内东陇海线新 沂西站，全长3 0 6 6 k m 。全线新建1 7 个、改建3 个车站，总投资4 8 3 亿元。工程于2 0 0 1 年1 2 月1 0n 动工，2 0 0 3 年6 月2 4 同全线贯通， 2 0 0 3 年1 0 月底竣工验交，同年1 2 月1 6 同正式开通临管运营，比计 划工期提前1 年。 本项研究利用多种测试方法研究不同地质条件、不同路基高度、 不同填料等工程条件下路基沉降、路桥过渡段路基沉降以及路基纵向 沉降的变化规律，具体针对如下试验地段进行监测研究工作： ( 1 ) 高路堤、软弱地基地段路基沉降变形研究( 3 个试段) d k l 2 2 + 5 0 0 ，路堤高度h = il m ，a 类填料，砂粘土、卵砾石、 断层角砾岩地基； d k 2 7 9 + 4 0 0 ，路堤高度h = 5 6 m ，c 类填料，砂粘土地基； d k 2 8 3 + 7 4 0 ，路堤高度h = 7 2 m ，c 类填料，砂粘土、砂土可液 化地基，土工格栅路堤。 ( 2 ) 高路堤路桥过渡段沉降变形研究( 3 个试段) d k 6 + 6 5 0 ，路堤高度h = 6 m ，c 类填料，砂粘土地基； d k l 2 2 + 7 6 0 ，路堤高度h = il m ，a 类填料，砂粘土地基； d k 2 7 9 + 0 0 0 ，路堤高度h = 7 7 m ，c 类填料，砂粘土地基。 ( 3 ) 粘土地基地段低路堤沉降变形研究( 2 个试段) d k 5 + 0 0 0 ，路堤高度h = 3 m ，c 类填料，砂粘土地基； d k 3 0 1 + 0 0 5 ，路堤高度h ：o 7 m ，c 类填料，粘土地基。 ( 4 ) 路堤纵向不均匀沉降变形研究( 3 个试段) d k l 2 2 + 4 7 0 d k l 2 2 十9 6 0 ，路堤最大高度h = il m ，a 类填料，路 堤与路堑过渡段( 0 断面) ： 9 北京交通大学硕士学位论文 d k 2 7 9 + 3 0 0 - - - d k 2 7 9 + 9 0 0 土地基； d k 3 0 0 + 4 8 5 - - d k 3 0 1 + 0 0 5 土地基。 路堤高度h = 7 7 m ，c 类填料，砂粘 路堤高度h = o 7 2 i n ，c 类填料，粘 ( 5 ) 采空区路堤沉降变形研究( 2 个试段) d k 2 9 + 9 9 0 ，路堤高度f t = 2 5 3 m ，a 类填料，穿越地下采空区； d k 3 0 + 3 4 0 ，路堤高度h = 2 5 3 ，a 类填料，穿越地下采空区。 ( 6 ) 断裂带区路堤沉降变形研究( 2 个试段) d k l 3 8 + 4 7 0 ，路堤高度t t - 5 5 m ，c 类填料，断层带宽8 5 9 0 】1 】，f 5 断层： 2 1 2 监测内容 通过多种测试方法研究不同地质条件、不同路基高度、不同填料 等工程条件下路基沉降、路桥过渡段路基沉降以及路基纵向沉降的变 化规律，具体测试如下内容： ( 1 ) 水平管剖面各点的沉降； ( 2 ) 沉降磁环的沉降变形； ( 3 ) 路基表面沉降板沉降。 2 1 3 测试仪器和测试方法 2 1 3 1 沉降测试 现已经安装完成的磁环沉降孔如图1 北京交通大学顾十学位论文 路黝rl i 4 t ：i 一l ； ，、i 中。一：1 卜 一2 h j h 。、带r i ，：_6 j ，。中。一 、 +。 。 ， 0 一，兀 j i 一一。1 1 r i ：f 卜、 ，o 。1 j 。卜o i ? 一二。一i 一二 j 图2 1 磁环沉降孔示意图及工作原理 该装置主要由两部分组成：i 为直径5 c m 的p v c 管，2 为沉降磁环， 磁环按照一定的间距套在p v c 管上，路堤发生沉降变形时，各磁环将 随着其周围的土体做同步运动，从而测出磁环在竖直方向上的位移 量，即可间接求出不同深度土体的变形。 测试时，利用沉降仪测出各磁环相对于沉降管顶端的相对深度l ， 再利用水准仪测出沉降管孔口高程h ，则磁环的高程h = hl ，各测 次之间h 值的变化即代表土体的位移差值。 2 1 3 2 路堤表面沉降板变形测试 路堤表面沉降板的高程变化即为路堤表面的高程变化值，因此该 项目的测试只需利用水准仪测出沉降板上钢筋头的高程即可。 北京交通大学硕士学位论史 2 1 3 3 路堤剖面沉降测试 路堤在横剖面上的变形测试是通过量测埋设在路堤里p v c 沉降管 中各点高程的变化来实现的，测试原理如图2 。 图2 2 路堤剖面沉降测试原理示意图 利用水平剖面沉降仪可以量测出p v c 沉降管内各点与孔口之间 的相对高程，假设第一次测出的管内第i 个测点与孔口的相对高程为 a h 、孔曰高程为h ，第二次测出的管内第i 个测点与孔口的相对高 程为a h 。z 、孔口高程为h 。，则第一次管内第i 个测点的高程为h + h ，第二次管内第i 个测点的高程为h a h ，。，则路堤内测管第i 个 测点位置的土体两次之间的沉降量h = ( 1 + h ) 一( h ：+ a h 。：) 。 由上述可以看出，水准测量是所有工作的前提和关键，只有水准 测量的数据保证误差最小，才能准确计算沉降板的高程变化，进而计 算出路基表面沉降；才能准确计算磁环的沉降；才能计算水平管的高 程值。从而为以后的数据分析提供准确的依据，得出准确和有价值的 结论。 本次采用了四等水准测量，在整个观测期要保管好沉降标不受损 坏。如有损坏，应及时修复及恢复观测数据，使观测数据连续；观测应 使每次观测条件相同，以消除观测中的系统误差。为此应做到五固定： 测站位置固定，仪器固定，观测人员( 司仪及持尺者) 固定，水准尺固定 ( 置于水准点上的后视尺也应固定) ，转点也应固定。外业手簿是长期 1 2 北京交通大学硕l 学位论文 保存和使用的基本资料，应做到记录认真，字迹清晰、整洁，格式统一。 水准仪应使用d s 3 级或以上( 放大率为2 8 3 2 倍) ，水准尺应为双面区 格式木质标尺( 一对) ，水准尺应有出厂检验书，使用前应对圆水准器 进行校核：水准仪使用前应进行外观检查、圆水准器检核、十字丝检 核、气泡式水准仪误差检核，三角的检核( 三角2 0 ”) ，使用中应定期 进行三角检核。若三角大于2 0 ”，应立即进行校核，否则不能使用。读 数取位为l m m ，计算取位为0 1 m m 。水准点至沉降观测点间转镜次数一- 般不超过一次，最高不大于两次。 半盖处理：采用间接平蔫。按最小二乘原理，要满足v 7 p v = m i n ， 即对工的导数为0 ： 0 vt p v ：v 7 p b ：o a x j b l p v ：0 j b l p b x b 。p i = o j x = ( b 1 p b ) 一1 b p i 从而v = b x 一，得平差结果： ll = l + v l 受：x o + ； 2 1 3 4 异常数据探测及粗差处理 在测量数据中，存在测量中不可避免的误差如系统误差和偶然误 差，这些只能在客观条件允许的限度内使它们最小，从而确保观测成 果具有较高的质量。另一方面，有些数据是因为观测中的失误而产生 失真，我们称之为异常数据，或称为含有粗差的观测值。含有粗差的 观测值，可以看成与其它同类观测值服从相同方差，不同期望的正态 分布予样：也可以理解为与其它同类观测值有相同的期望，不同方差 且是异常大方差的j 下态分布子样。因此在数据处理中，有两种处理方 法，一种是将粗差纳入随机模型：一种是将粗差纳入函数模型。前者 服从，n ( e ( i ) + s 。，盯2 ) ，主要考虑异常大方差问题，可以用稳健估 计的选权迭代法来定位粗差和消除或减弱其对参数解的不良影响；后 者服从n ( e ( i ，) ，q2 ) ，仃j 口2 ，其目的是在平差中检测粗差，定位 粗差，将其剔除，然后在正常观测值中进行参数估计。下面分别叙述。 数据探测法： 北京交通人学硕士学位论文 数据探测法用来处理第二种粗差，即进行粗差探测，定位，最终 剔除。它包括单个粗差检验和多维粗差统计假设检验。由于多维粗差 统计假设检验含有的参数比较多，因而在实施起来比较困难。本文采 用了前者，即单个粗差检验，虽然其没有考虑粗差对残差影响的相关 性，用它逐次判断多维粗差的存在也可能失误。 1 ) 单个粗差检验 不含粗差影响的v ，其期望和方差分别为： e ( v ) = o d ( v ) ：2 q v v 向量v 为正态向量。假设检验为： 原假设：h 。：e ( v 。) = 0 ，h l ：e ( v i ) 0 检验统计量采用正念分布标准化残差： 形= 盟= 坠= _ j 羔i n ( o ，1 ) 当h o 成立时； 仃n 盯0 4 0 v ，。盯j 4 r , 选择适当的检验水平口，分位值心2 。若彬 c 式中c 为常系数，通常c = 2 盯，此函数的一阶导数为 c 坦，一2 2 一 矿叫 c ，、【 l i ) y (尸 北京交通大学硕。| 学位论文 2 1 4 项目执行情况 i v p ) = ，、 lc s l g n ( v ) l y i c h c h c m c 本项目为期两年( 2 0 0 2 2 0 0 4 ) 。主要分为两个阶段，第一阶段为列 车开通前( 2 0 0 2 年1 2 月一2 0 0 3 年1 2 月) ；这一阶段的任务是进行开通 前的路基沉降监测，根据监测数据绘制沉降曲线图，并且作出沉降模 型，为将来同类项目提供参考；第二阶段为列车开通后( 2 0 0 3 年1 2 月 一2 0 0 4 年1 2 月) ；这一阶段的任务是进行丌通后的路基沉降监测，并 且可以作出趋势图，迸行预测。 2 2 路堤填料的室内土工试验 我们对路堤填料土体进行了室内试验研究。本次室内试验以土 工实验方法标准( g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 和铁路工程土工试验方法( t b j 1 0 2 9 6 ) 为标准，所有土样均为技术人员在胶新铁路施工现场取样并 托运至实验室，由于在托运过程中土样的含水量等发生了变化，所有 试验按扰动土模拟现场实际情况进行土样的物理力学性质试验，包括 颗粒级配试验、压缩试验、直剪试验和击实试验等室内土工试验。得 到的试验结果可为路基沉降变形计算提供参数选取的依据。 2 2 1 颗粒分析试验 粒度分析测定干土中各粒度组土粒质量占该土总质量的百分数， 根据粒度组成可进行土的分类，并可了解的水文地质、工程地质性 质。所取土样采用筛分法，对粗粒土常用不均匀系数e 和曲率系数c 。 来对土的颗粒级配情况进行评价，其中 c一叫 ，、【 i | )：d 为数函权 北京交通大学硕f 一学位论文 c 。= 等c 。= 袭 式中，d l o 、d 3 。、哦。分别为粒径分布曲线的纵坐标上累计百分含量等 于1 0 、3 0 、6 0 时对应的粒径。当土的粒径分布曲线同时符合e 5 和c - 2l 3 时说明土的粒径分布不均匀且级配良好。 2 2 2 压缩试验 本试验是测定试样在侧限和竖向排水条件下的变形与压力、变形 与时间的关系，了解试样在压力作用下产生变形的过程，通过计算求 得的各项固结试验指标可用来分析、判别土的固结特性。 2 3 3 直剪试验 直接剪切试验的原理是根据库仑定理，土的内摩擦力与剪切面上 的法向压力成f 比，将同一种土制各成若干个土样，分别在不同的法 向压力下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，上样在剪应力作用下 破坏，此时得到的剪应力即为剪切强度“。然后根据剪切定律确定土 的抗剪强度指标中和c 本次试验所选试样为砂类土，故选用快剪法， 即在试样上施加垂直压力后，立即加水平剪切力。 为了考察不同含水率土样的抗剪切破坏性能，不同试验段分别进 行了多种含水率的快剪试验。 2 3 小结 本课题历时两年。测试工作从2 0 0 2 年1 2 月开始，到2 0 0 4 年1 1 月结束。取得了大量宝贵的第一手现场测试资料，为下一步进行室内 整理分析，以及报告成文奠定了基础。 另外，除现场监测外，还采集了大量的路堤以及地基土样进行了室内 试验分析，为进行理论和数值分析提供了可利用的参数。 1 7 北京交通大学硕l 学位论文 参考文献： 1 j l 丁实验方法标准( g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) 2 铁路工群十工试验乃法( t b j1 0 2 9 6 ) 3 罗嘉运岩土工程及路基，中国铁道出版社，1 9 9 7 4 4 刘大杰，陶本藻实h 了测量数据处理方法，武汉：测绘出版丰十，2 0 0 0 5 武汉测绘科技人学测量平差教研室编著，测量平差基础，武汉：测绘出 版社，2 0 0 0 6 冯金根高速公路路基沉降观测现场_ _ f = 作要点，r o a dc o n s t r u c t i 。n m e c h a n i z a t i o n ，2 0 0 1 7 刘升传，王连俊胶新铁路路基沉降监测中的水准测量及数据处理北京 测绘2 0 0 4 。 1 8 北京交通大学硕l 学位论文 3 1 概述 第三章路基沉降分析 路基是轨道的基础，也叫线路下部结构。控制变形是路基设计的 关键，各种不同的结构形式的首要目的是为线路提供一个平坦，均匀 和稳定的轨下基础，丽路基是整个线路结构中最薄弱，也是最不稳定 的环节，是轨道变形的主要来源，在多次重复荷载作用下所产q ：的累 积永久下沉( 残余变形) 将造成轨道的不平顺，同时它的刚度对轨道 面的弹性变形也起关键性的作_ f j j 。而路基变形的原因是由路基荷载引 起的，路基荷载实质作用在路基面上的应力，它包含两部分：一部分 是线路上部结构的重量作用在路基面上的应力，即静荷载；另一部分 是列车行驶时轮载力通过上部结构传递到路基面上的动应力，即动荷 载。普通铁路路基设计考虑荷载的影响时，在计算中常把静荷载和动 荷载一并简化为静荷载处理，即通常的换算土柱法。 路基沉降的原因主要有两种，一是施工阶段及施工完成后路基填 土的压密下沉；另一个是运营期间作用在路基面上的动荷载。 而通车后的沉降即动荷载引起的路基沉降部分包括两部分：列 车行驶时路基面的弹性变形；运营阶段由行车引起的基床累积下 沉。 3 1 1 列车行驶时路基面的弹性变形； 一7 、 ，4 在列车荷载的作用下，路基的变形既有弹性变形，同时又有塑性 变形。弹性变形是列车通过时列车荷载的短时作用而产生的，主要发 生在路基的基床部位，尤其是基床表层。路基的弹性变形最终将反映 在轨面的弹性变形中，若弹性变形大，车速就不可能提高，当上部结 构和道床的技术条件确定之后，影响轨面弹性变形的因素就主要是路 基了。路基弹性变形的大小是由路基的动刚度决定的，表征路基动刚 度的指标是动弹性变形系数，它是整个列车一线路系统垂向动力特性 的重要参数之一。本文假设上部结构和道床的技术条件确定，路基的 1 9 北京交通大学硕士学位论文 累积下沉属于塑性变形。 3 2 路基表面沉降分析 本次测试主要为d k 6 段、d k i2 2 段、d k 2 7 9 段、d k 3 0 0 段。由于篇 幅限制，本文只介绍d k 6 段的分析结果。 3 2 1d k 6 段测试结果分析 w 多；竺“一：= 1 蠖割，t j 7 魏。转 蜉7 j 雾芍f 无霜搬啦f ，n 1 从2 0 0 2 年4 月份丌始对其进行监测，截止到监测2 0 0 3 年1 2 月 份，监测数据如表3 - 1 所示。 表3 12 0 0 3 年通车前d k 6 段沉降板沉降记录表 4 86 。2 37 1 78 一1 19 1 29 2 5l | - 21 1 91 2 1 5 2 m 右64 0 46 3 8 86 3 7 36 3 6 96 3 3 263 0 86 36 36 3 7 m 右6 4 1 46 3 9 96 3 8 563 8 46 3 6 76 3 4 963 4 46 3 4 46 3 3 8 1 2 m 右6 4 2 96 4 1 263 9 96 3 9 46 3 7 863 6 26 3 5 76 3 5 76 3 4 9 2 2 m 右6 4 4 16 4 2 3 6 4 0 7 64 0 36 3 7 96 3 6 663 6 l6 - 3 6 l6 3 5 2 m 左6 4 2 06 4 0 26 3 8 96 3 7 46 | 3 1 762 86 1 9 16 1 8 8 其变化曲线如图图3 1 ( a ) 所示，其中高程为相对高程，单位为m 。 靶 谴 4 - 88 - 2 37 - 1 78 - 1 1 9 1 29 - 2 5”o 1 1 91 2 - 1 5 时间 图3 1 ( a ) 通车前d k 6 各点高程变化曲线 2 0 北京交通大学硕上学位论文 通车后监测时阳j 从2 0 0 4 年1 月份开始，截止到2 0 0 4 年l i 月份 的沉降板高程变化曲线如图图3 1 ( b ) 所示。可以看出，与通车前的变 化曲线相比，沉降高程变化明显趋于稳定，相邻监测时间段的高程差 叫通车前要小，另外通车后4 个月高程基本稳定不变。 驰 恒 1 - 1 1 1 03 1 2 1 25 1 2b 2 1 6 $ 1 2 1 21 0 冱1 1 盟 时f u j 图3 1 ( b )通车后d k 6 各点高程变化曲线 另外可以将d k 6 段的各个点在通车前后的高程变化分别作图。 醛 _ 嚏 图3 - 1 ( c )通车前2 m 右沉降| l 纬乃拟和甬豁 呲 淄 耋! 北京交通人学硕士学位论立 器e z e 。 图3 - 1 ( d )通车后d k 6 + 2 m 右高程变化曲线 对比图3 一l ( c ) 和图3 一l ( d ) ，可以看出o k 6 + 2 m 右点的高程在 通车前后的变化曲线形状类似，但通车前高程在5 个月后趋于稳定， 通车后高程在4 个月后趋于稳定。 对其它点的高程变化，可以依次分析。 图3 2 通车前o k 6 + 1 2 m 右沉降曲线及拟和函数 洲 | 詈 北京交通大学硕i 学位论文 图3 3 通车前d k 6 + 2 2 m 右沉降曲线及拟和函数 瞿e ：e ： 图3 4 通车前d k 6 + 7 m 高程变化曲线 从通车前d k 6 + 1 2 m 右、d k 6 + 2 2 m 右、d k 6 + 7 m 三个点的高程变化曲 线上可看出，这三个点的高程变化比较类似，即高程在通车前5 个月 后高程趋于稳定，其中d k 6 + 7 m 的高程变化最规则，其它两点的高程 北京交通大学硕士学位论文 有起伏。 裂 幢 63 4 6 83 4 4 6 3 4 2 异； 1 谴b3 4 0 63 3 8 1 。1 12 1 03 - 1 24 1 25 - 1 2 6 - 1 2 7 - 1 6 8 - 1 29 1 2 1 0 - 2 21 1 2 2 时问 图3 - 5 通车后d k 6 + 7 m 高程变化曲线 图3 - 6 通车后d k 6 + 1 2 m 高程变化曲线 从图3 5 到图3 - 7 通车后d k 6 + 1 2 m 右、d k 6 + 2 2 m 右、d k 6 + 7 m 三个 点的高程变化曲线上可看出，曲线变化形状比较相似，即有1 到2 2 4 驼 穹 写 “ 瞄 铋 北京交通人学硕上学位论文 个高程起伏点、高程在通车后4 个月后趋于稳定。同时与通车前的曲 线相比，高程变化较为缓和。 图3 7 通车后d k 6 + 2 2 m 高程变化曲线 3 2 2 通车前的沉降分析 该段路堤高度h ：6 m ，c 类填料，砂粘土地基。从以上各点的变 化曲线看，各点的变化规律基本上相似，符合同一。填料的变化；从 曲线拟合上看，总体上为二次曲线形式，且沉降量逐渐减少趋于稳 定并趋向于0 ，总沉降量为表3 2 所示，可以看出，最大沉降量为 2 3 9 c m ，最小为7 6 c m ：另外可以看出，路基在工前出现的沉降呈逐 渐较小并趋于最小值趋势。并且可以看出，路基表面在工后5 7 个 月趋于稳定状态。 表3 - 2 通车前d k 6 各点总沉降量 2 m 右o 1 0 4 7 m 右0 0 7 6 1 2 m 右0 0 8 0 2 2 m 右o 0 9 l 2 m 左0 2 3 9 咖 粥 撇 m 掰 暑| 6 6 b 6 6 6 6 6 6 6 驰恒 ! ! 塞窒望查兰堡主兰垡塑苎一一 3 2 3 通车后的沉降分析 从上图可以看出，四条变化曲线均比较平缓，高程变化比较小， 说明沉降, i t i l j , ，我们可以通过曲线拟台来总结其变化，总体形式为： v ：j 尘二，从上面四条曲线及其拟合曲线看，从2 0 0 4 年1 1 1 - - 6 1 2 p 2 + x 这段时间里，表面高程在逐渐下降，但是从2 0 0 4 年7 - 1 6 l l 一2 2 这 段时间里，高程基本不变。从而说明路基表面趋于稳定状态，路基在 通车后6 个月左右后很稳定。并且从以上各点的变化曲线看，各点的 变化规律基本上相似，符合同一填料的变化；从曲线拟合上看，总体 上为二次曲线形式，且沉降量逐渐减少趋于稳定并趋向于稳定，总沉 降量为表3 3 所示，可以看出，最大沉降量为匹曼武g c d 甥j0 9 c m ； 已经很小。从而可以得出结论，路基主要沉降还是发生在通车前的阶 段。